Хромосомы - это нуклеопротеидные структуры, располагающиеся в ядрах эукариотических клеток. В них хранится практически вся наследственная информация, и именно они несут функцию ее хранения, передачи и реализации. Хромосомы практически не видны даже в световой микроскоп, однако их можно четко рассмотреть в периоды деления клетки, во время митоза и мейоза.
Кариотип и правила хромосом
Кариотипом называется совокупность всех хромосом (диплоидный набор), находящихся в клетке. Он видоспецифичен, то есть является уникальным для каждого вида живых существ на планете, уровень изменчивости его относительно низок, однако у некоторых особей может обладать определенными особенностями. Например, представители разного пола имеют в основном одинаковые хромосомы (аутосомы), различие кариотипов составляет только одна пара хромосом - половые хромосомы, или гетерохромосомы.
Правила хромосом просты: число их постоянно (в соматических клетках может содержаться только строгое число хромосом, например, у кошек - 38, у плодовой мушки дрозофилы - 8, у курицы - 78, а у человека 46).
Хромосомы парны, каждая из них имеет гомологичную пару, идентичную по всем параметрам, включая форму и размер. Разнится только происхождение: одна - от отца, другая - от матери.
Гомологичные пары хромосом индивидуальны: каждая из пар отличается от других не только внешним видом - формой и размером, - но и расположением светлых и темных полос.
Непрерывность - еще одно правило хромосом. ДНК клетки удваивается перед делением, результатом чего становится пара сестринских хроматид. Каждая дочерняя клетка после деления получает по одной хроматиде, то есть от хромосомы образуется хромосома.
Необходимые элементы
Хромосома, строение которой относительно несложно, образуется из молекулы ДНК, обладающей большой длиной. Она содержит линейные группы множества генов. Каждая хромосома обладает центромерой и теломерами, точками инициации репликации - это ее необходимые функциональные элементы. Теломеры находятся на кончиках хромосом. За счет них и точек начала репликации (их так же называют сайтами инициации), молекула ДНК может реплицироваться. В центромерах же происходит прикрепление сестринских молекул ДНК к митотическому веретену деления, что позволяет им точно разойтись по дочерним клеткам во время процесса митоза.
О вирусах
Термин "хромосома" изначально был предложен в качестве обозначения структур, свойственных эукариотическим клеткам, однако ученые все чаще упоминают вирусные и бактериальные хромосомы. Состав, функции их практически схожи, поэтому Д. Е. Коряков и И. Ф. Жимулёв считают, что понятие уже давно нужно расширить, и определять хромосому, как структуру, содержащую нуклеиновую кислоту и имеющую функцию хранения, реализации и передачи информации о генах. У эукариот хромосомы содержатся в ядре, а так же пластидах и митохондриях. Прокариоты (безъядерные) также содержат ДНК, однако в клетке нет ядра. У вирусов хромосомы имеют вид молекулы РНК или ДНК, расположенной в капсиде. Независимо от наличия в клетке ядра, в состав хромосом входят органические вещества, ионы металлов и множество других веществ.
История открытия
Ученые прошли большой путь, прежде чем исследовали хромосомы. Впервые они были описаны в семидесятых годах позапрошлого века: разные авторы упоминали о них в своих статьях, книгах и научных работах, поэтому открытие хромосом приписывают разным людям. В этом списке имена И. Д. Чистякова, А. Шнейдера, О. Бючли, Э. Страсбургера и многие другие, однако большинством ученых 1882 год признается как год открытия хромосом, а первооткрывателем называют В. Флеминга, немецкого анатома, собравшего и упорядочившего сведения о хромосомах в своей книге Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, добавив к уже имевшимся сведениям собственные исследования. Сам же термин предложил в 1888 году гистолог Г. Вальдейер. В переводе хромосома значит буквально "окрашенное тело". Название связано с тем, что химический состав хромосомы позволяет ей легко связывать основные красители.
В 1900 году были "переоткрыты" законы Менделя, и очень скоро, в течение двух лет, ученые пришли к выводу, что хромосомы во время процессов мейоза и оплодотворения ведут себя как "частицы наследственности", поведение которых было теоретически описано ранее. В 1902 году, независимо друг от друга, Т. Бовери и У. Сеттоном была выдвинута гипотеза о том, что хромосома, строение которой еще было неизвестно, несет функцию передачи и хранения наследственной информации.
Дрозофилы и генетика
Первая четверть прошлого века ознаменовалась экспериментальным подтверждением идей о том, что хромосомы имеют генетическую роль. Американские ученые Т. Морган, А. Стёртевант, К. Бриджес и Г. Мёллер работали над исследованиями, объектами которых стали строение и классификация хромосом, а также их функции. Опыты проводились на D.melanogaster, известной, пожалуй, всем плодовой мушке. Полученные данные послужили фундаментом для хромосомной теории наследственности, которая актуальна и сейчас, спустя почти сто лет. Согласно ей, хромосомы связаны с наследственной информацией, а гены в них локализованы линейно, в четкой последовательности, но химический состав и морфология хромосом исследуются учеными и в наши дни.
За проведенную работу Т. Моргану была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 1933 году.
Химический состав хромосом
Кратко можно описать, что наследственный материал в хромосомах предстает как нуклео-протеиновый комплекс. После изучения химической организации хромосом в эукариотических клетках, ученые могут сказать, что состоят они в большей части из ДНК и белков, которыми образуется нуклео-протеиновый комплекс, называемый хроматином.
Белки, входящие состав хромосом, это значительная часть всего вещества в хромосомах, около 65% всей массы структур приходится именно на них. Хромосомные белки подразделяются на негистоновые белки и гистоны. Гистоны - сильноосновны, щелочной характер их обуславливается наличием лизина и аргенина - основных аминокислот.
Химический и структурный состав хромосом разнообразен. Гистоны представляют пять фракций: Hl, H2A, H2B, H3 и H4. Все, кроме первой фракции, примерно в равных количествах имеются в клетках всех видов, принадлежащих к высшим млекопитающим. Белков Hl меньше вдвое.
Синтез гистонов происходит на полисомах цитоплазмы. Это основные белки, имеющие положительный заряд, за счет чего могут прочно соединяться с молекулами ДНК и таким образом не дают считывать заключенную наследственную информацию. В этом заключается регуляторная роль гистонов, но помимо нее есть и структурная функция, за счет которой обеспечивается пространственная организация ДНК в хромосомах.
В характерный химический состав интерфазных хромосом входят и негистоновые белки, которые, в свою очередь, подразделяются более чем на сто фракций. В этот ряд входят ферменты, отвечающие за синтез РНК, и ферменты, которые запускают репарацию и редупликацию ДНК. Так же как и основные, кислые хромосомные белки имеют регуляторную и структурную функции.
Однако химический состав хромосомы на этом не заканчивается: кроме белков и ДНК, в составе присутствует РНК, ионы металлов, липиды и полисахариды. Отчасти хромосомная РНК присутствует в качестве продуктов транскрипции, которые еще не покинули место синтеза.
В метафазе
Морфологические особенности метафазной хромосомы заключаются в следующем: в течение первой половины митоза они состоят из пары сестринских хроматид, которые соединены между собой в области центромеры (первичная перетяжка, или кинетохора) - это участок хромосомы, общий для обеих хроматид. Химический состав хромосомы также меняется. Вторая половина митоза характеризуется разделением хроматид, после чего происходит образование однонитчатых дочерних хромосом, которые распределяются в дочерние клетки. Вопрос о том, сколько ДНК входит в состав метафазной хромосомы, часто встречается в тестах по биологии и ставит в тупик учащихся. В последний период интерфазы, а также в профазе и метафазе, хромосомы двухроматидны, поэтому их набор соответствует формуле 2n4c.
Классификация хромосом
По положению центромер и длине плеч, располагающихся по обе стороны от нее, хромосомы классифицируются на метацентрические (равноплечие), если центромера располагается посредине, и субметацентрические (неравноплечие), если центромера сдвинута к одному из концов. Также существуют акроцентрические, или палочковидные хромосомы (центромера у них расположена практически на самом конце) и точковые хромосомы, получившие свое название за небольшой размер, вследствие чего практически невозможно определить их форму. У телоцентрических хромосом тоже трудно определить место расположения первичной перетяжки.
Компактизация
Любая соматическая клетка содержит в себе 23 пары хромосом, каждая из которых состоит из одной молекулы ДНК. Общая длина всех 46 молекул составляет около двух метров! Это более трех миллиардов пар нуклеотидов, и все они умещаются в одной клетке, при этом хромосомы в период интерфазы практически неразличимы даже в электронный микроскоп. Причина этого - надмолекулярная организация хромосом, или компактизация. При переходе в другую фазу клеточного цикла хроматин может изменять свою организацию.
Структура и химический состав интерфазных хромосом и строение метафазных хромосом расцениваются учеными как полярные варианты структуры, которые связываются между собой взаимными переходами во время процесса митоза.
Первый уровень компактизации представлен нуклеосомной нитью, который также называют "бусы на нитке". Характерный размер - 10-11 нм, что не позволяет рассмотреть их в микроскоп.
Химический состав хромосомы обуславливает наличие этого уровня организации: его обеспечивают четыре вида гистонов - основных белков (Н2А, Н2В, НЗ, Н4). Они образовывают коры - тела из белковых молекул, имеющие форму шайбы. Каждая кора состоит из восьми молекул (пара молекул от каждого из гистонов).
Происходит комплектация молекулы ДНК, она спирально накручивается на коры. С каждым белковым телом контактирует отрезок молекулы ДНК, насчитывающий 146 нуклеотидных пар. Есть и не участвующие в контакте области, называющиеся линкерными, или связующими. Размер их разнится, но в среднем равен 60 парам нуклеотидов (п. н.).
Нуклеосомой называют участок ДНК, имеющий длину 196 п.н. и включающий в себя белковую кору. Однако нуклеосомная нить, похожая на нить бус, имеет и области, не содержащие коры.
Подобные участки, которые отлично различают негистоновые белки, ввиду наличия определенных нуклеотидных последовательностей, встречаются довольно равномерно с интервалом в несколько тысяч нуклеотидных пар. Их наличие важно для дальнейшей компактизации хроматина.
Дальнейшая упаковка хроматина
Хроматиновая фибрилла - второй уровень компактизации - называется также соленоидным, или нуклеомерным уровнем. Размер составляет 30 нм. Обеспечивается гистоном HI. Он объединяется с линкерным участком ДНК, а так же с двумя соседними корами и "стягивает" их между собой. Результатом процесса становится образование гораздо более компактной структуры, напоминающей по строению соленоид. Подобная фибрилла, помимо хроматиновой, носит название элементарной.
Далее следует хрономерный уровень. Характерный размер этого уровня компактизации - 300 нм. Уже не происходит дополнительная спирализация, однако образуются поперечные петли, которые совпадают с размером одного репликона и объединяются посредством негистоновых (кислых)
На хромонемном уровне (700 нм) петли сближаются, и хроматин еще больше компактизируется. Образованные нити хромосом уже видны в световой микроскоп.
Хромосомный уровень (1400 нм) наблюдается в период метафазы.
Мутации и их роль в медицине
Мутация хромосом - не редкость, однако может иметь разную степень и механизмы возникновения. Изменения в структурной форме хромосом обычно основываются на первоначальном нарушении целостности. Если в хромосоме присутствуют разрывы, то организму приходится производить их перестройку, в результате чего и возникает хромосомная мутация, или абберация.
В процессе кроссинговера гомологичные хромосомы обмениваются соответствующими участками, и именно в это время обычно происходят разрывы. Если во время кроссинговера произошел обмен неравноценными участками генов, появляются новые группы сцепления.
Виды мутаций
Существует несколько видов мутаций, основанных на механизме их происхождения. Мутация деления появляется вследствие выпадения участков генов. Если какие-то участки генома были удвоены - это дупликация. Во время инверсии участок хромосомы между разрывами поворачивается на 180°.
Транслокацией называется переход участка из одной хромосомы в другую, причем если перемещение происходит между негомологичными хромосомами, транслокация называется реципрокной, а если фрагмент был присоединен к той же хромосоме, мутация именуется транспозицией. Во время робертсоновской транслокации происходит объединение в одну двух негомологичных структур.
Также существуют мутации перицентрические и парацентрические.
РНК
В зависимости от фазы, в которой находится клетка, меняется химический состав, особенности морфологии хромосом и их размер, но генетический материал несет в себе не только ДНК и хромосомы в ядре.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) - еще одна структура, участвующая в передаче и хранении генетической информации.
Существует мРНК, или иРНК (матричная, или информационная), она участвует в синтезе белков с заданными свойствами. Для этого необходимо, чтобы на место "постройки" поступила "инструкция", которая сообщит, в каком порядке аминокислоты должны быть включены в цепь пептидов. Этой инструкцией и является информация, закодированная в последовательности нуклеотидов мРНК (иРНК). Транскрипцией и называется процесс синтеза матричной РНК.
Процесс считывания информации с ДНК можно сравнить с компьютерной программой. Сначала РНК-полимераза должна обнаружить промотор - особый участок молекулы ДНК, который отмечает область начала транскрипции. РНК-полимераза соединяется с промотором и начинает раскручивание прилежащего витка ДНК-спирали. В этом месте две цепи ДНК отсоединяются друг от друга, после чего фермент начинает образование мРНК на одной из них (кодогенной, обращенной к ферменту 3`-концом). Рибонуклеотиды собираются в цепь по правилу комплементарности с нуклеотидами ДНК, и антипараллельно относительно матричной ДНК-цепи.
Процесс транскрипции
Таким образом, по мере продвижения вдоль ДНК-цепи, фермент точно считывает всю информацию, продолжая процесс, пока вновь не встретит особую последовательность нуклеотидов. Она называется терминатором транскрипкции, и сигнализирует, что РНК-полимераза должна отделиться и от матричной цепи ДНК, и от только что синтезированной мРНК. Сумма областей от промотора до терминатора, включая транскрибируемый участок, называется единицей транскрипции - транскриптоном.
По мере того, как РНК-полимераза продвигается вдоль кодогенной цепи, транскрибированные одноцепочечные участки ДНК снова объединяются и принимают вид двойной спирали. Образованная мРНК несет в себе точную копию данных, переписанных с участка ДНК. Нуклеотиды мРНК, кодирующие последовательности аминокислот, группируются по три и носят название кодонов. Каждому кодону мРНК соответствует определенной аминокислоте.
Свойства и функции генов
Ген считается элементарной неделимой функциональной единицей наследственного матриала. Она имеет вид участка молекулы ДНК, которой кодируется структура как минимум одного пептида.
Ген имеет определенные свойства, первое из них - дискретность действия. Это означает, что различно локализованные гены контролируют развитие признаков особи.
Свойство постоянства определяется тем, что ген неизменен при наследственной передаче, если, конечно, не произошло мутации. Из этого следует, что ген не может быть изменен в течение жизни.
Специфичность действия заключается в обусловленности развития признака или группы признаков, однако гены могут оказывать и множественные действия - это называется плейотропией.
Свойство дозированности действия определяет предел, до которого может развиться признак, обусловленный геном.
Для них также характерно и аллельное состояние, то есть практически все гены находятся в аллелях, количество которых начинается с двух.
